Simulation und experimentelle Verifikation von mechanischen Verspannungen in thermisch oxidierten Silizium Nanodrähten

Abstract

In dieser Arbeit wurde die gezielte Einbringung mechanischer Spannungen in Silizium Nanowire mittels thermischer Oxidation untersucht. Als Substratmaterial wird Silizium gewählt, mit einer Kristallorientierung von h100i und h111i. Die Oxidation führt zu einer Reduktion des anfänglichen NW Durchmessers von 0; 4m auf ca. 0; 1m. Das umgebene Oxid übt Druck auf den verbleibenden Nanodraht aus und führt demnach zur Verspannung. Neben der experimentellen Fertigung und Analyse wurden Simulationsmodelle entwickelt, um die Kopplung zwischen den auftretenden mechanischen Spannungen und der thermischen Oxidation näher zu untersuchen. Zur Modellierung wurde die Simulationssoftware TCAD von der Firma Synopsys eingesetzt. Diese bietet die Möglichkeit, unterschiedliche Simulationen beginnend von der Prozesssimulation bis hin zur Bauteilsimulationen durchzuführen, wobei in dieser Arbeit nur die Prozesssimulation zur Anwendung kommt. Für beide Kristallorientierungen wurde ein dreidimensionales Modell mit einem 2,5 x 2,5 m groen Substrat und einem einzelnen Nanodraht aufgebaut. Dieser hat vor Beginn der thermischen Oxidation einen Durchmesser von 0; 4m und eine Höhe von 2m. Die thermische Oxidation wurde bei einer Temperatur von 800C durchgeführt, um grösstmögliche mechanische Spannungen zu erhalten. Aus der Simulation ging hervor, dass es bei höheren Temperaturen zu Relaxation des Oxides kommt und damit verbunden zu einer Spannungsreduktion. Um die Prozesszeiten zu reduzieren el die Wahl auf den Prozess der Nassoxidation. Bei Betrachtung der Oxidations-Charakteristik von Silizium Nanodrähten zeigt sich, dass sowohl h100i orientierte als auch h111i orientierte Nanowire während der Oxidation charakteristische Querschnitte ausbilden. Der Grund liegt in den unterschiedlichen Oxidationsraten der einzelnen Kristallrichtungen. Die (100)-Fläche ist von acht niedrig indizierten Flächen umschlossen, wobei vier von diesen aus der Gruppe der f110gund die restlichen vier aus der Gruppe der f100g-Kristallflächen sind. Die Oxidationsraten dieser Gruppen sind unterschiedlich und daher kommt es zur Ausbildung des rechteckigen Querschnittes. Die (111)-Fläche ist von zwölf niedrig indizierten Flächen umschlossen, wobei sechs von diesen Flächen der Gruppe der f112gund die restlichen sechs der Gruppe der f110g-Kristallflächen zugeordnet werden. Dabei kommt es zur Facettenbildung entlang der f112g- Kristallflächen. Aus den Simulationsmodellen ging hervor, dass h100i Strukturen nach 903min eine mechanische Verspannung von 7,5% und nach 1103min eine mechanische Verspannung von 14% erreichen sollen. h111i Strukturen sollen nach 802min eine mechanische Verspannung von 5% und nach 1069min eine Verspannung von 14% erreichen. Die Nanowire wurden über einen " template-assisted metal catalytic etching\ Prozess mit Polystyrolkugeln als Hartmaske hergestellt. Der Durchmesser von den gefertigten Nanodrähten betrug mehr als 0; 4m und erforderte daher einen Zwischenoxidationsschritt. Nach anschließender Behandlung mit Flusssäure begann der eigentliche thermische Oxidationsschritt zur mechanischen Spannungserzeugung. Dabei wurden die h100i Strukturen 800min und die h111i Strukturen 900min lang oxidiert. Mithilfe der RAMAN-Spektroskopie wurde in den h100i orientierten Nanostrukturen eine Verspannung von 7% gemessen und in den h111i Strukturen eine Verspannung von 11%.

In this work, purposefully introduced mechanical stresses in oxidized Silicon Nanowires were investigated. Silicon is chosen as substrate material with a crystal orientation of h100i and h111i. Thermal oxidation leads to a reduction of the 0; 4m initial Nanowire diameter to approximately 0; 1m. The surrounding oxide puts pressure on the remaining Nanowire and thus leads to tension. Beside the experimental fabrication and analysis, simulation models were developed to build up comprehension about the coupling of mechanical stresses and thermal oxidation. For modelling, the simulation software TCAD by the company Synopsys were used. This software provides the possibility to perform process simulation up to device simulation, whereby in this work only, process simulation applies. A three-dimensional model is built up for both crystal orientations with a 2,5 x 2,5 m substrate and one Nanowire situated on top of it. This Nanowire has at the beginning of the thermal oxidation a diameter of 0; 4m and a height of 2m. Thermal oxidation was executed by a temperature of 800C to get maximum possible mechanical stresses. The simulation shows that higher temperature leads to relaxation of the oxide and reduces the stresses. Wet oxidation is used to reduce the process time. The observation of the oxidation characteristic of Silicon Nanowires shows, that h100i orientated as well as h111i orientated Nanowire form speci c cross sections while oxidation. The reason lies in the various oxidation rates for the individual crystal directions. (100) surface is enclosed of eight low indexed areas, whereby four of these are from the f110g group of crystal faces and the remaining four are from the f100g group of crystal faces. The oxidation rates of these groups are dierent and therefore it comes to formation of the rectangular cross section. (111) surface is enclosed of twelve low indexed areas, whereby six of these are from the f112g group of crystal faces and the remaining six are from the f110g group of crystal faces. This leads to formation of facets along the f112g crystal faces. It appears from the model that h100i structures have to achieve, after 903min, a strain of 7,5% and, after 1103min, a strain of 14%. h111i structures have to achieve, after 802min, a strain of 5% and, after 1069min, a strain of 14%. The Nanowires were fabricated with a template-assisted metal catalytic etching process with polystyrene bowls as hard mask. The diameter amounts more than 0; 4m and therefore requires an intermediate oxidation step. After treatment the probe with hydro uoric acid, the actual oxidation step started for the generation of mechanical stresses. Thereby the h100i structures were 800min oxidized and the h111i structures 900min. The measurement by RAMAN spectroscopy of the h100i and h111i structures yield a mechanical stress of 7% and 11%, respectively.